掘進(jìn)巷道過斷層施工工藝優(yōu)化

王躍楠

（晉能控股煤業(yè)集團長平公司，山西 晉城 046700）

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團長平公司53041 巷北部相連為五盤區(qū)開拓大巷（已掘），東部為5304 工作面回采煤區(qū)、5303 工作面，西部為5305 工作面（尚未布置），南部為六盤區(qū)開拓大巷（正在布置）。53041 巷設(shè)計長度為2103 m，斷面寬×高=4.5 m×3.7 m，巷道布置在3#煤層中，煤層平均厚度為5.14 m，平均傾角為5°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 53041 巷掘進(jìn)的3#煤層頂?shù)装鍘r性表

53041 巷采用綜合機械化掘進(jìn)，巷道已掘進(jìn)至1422 m。巷道掘進(jìn)至1417 m 處揭露F2 正斷層，斷層落差為2.8 m，傾角為57°，斷層處巖體主要以砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、粗砂巖為主。巷道底部主要為粗砂巖，巖體厚度為1.9 m，巖石普氏系數(shù)f ＞5.0；巷道頂部以泥巖為主。通過鉆探發(fā)現(xiàn)該斷層對巷道影響長度為42 m。

2 分層爆破施工工藝

2.1 掘進(jìn)方案對比分析

根據(jù)巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀以及揭露斷層巖體情況，對53041 巷過F2 斷層提出了三種掘進(jìn)方案：

方案一：機械強行破巖法。在過F2 斷層時采用掘進(jìn)機強行截割斷層巖體。該方法優(yōu)點是無需調(diào)整巷道掘進(jìn)走向，實用性強。但是由于F2 斷層巖體主要以粗砂巖為主，巖體硬度高，掘進(jìn)機破巖難度大、掘進(jìn)速度慢，而且設(shè)備故障率高。

方案二：仰斜掘進(jìn)施工。由于F2 斷層侵入后造成斷層下盤煤體上移，仰斜掘進(jìn)即調(diào)整巷道上山角度，使巷道仰斜掘進(jìn)到位后巷道底板沿斷層巖體表面掘進(jìn)。該方法最大優(yōu)點是減少了斷層巖體破巖量，但是在仰斜掘進(jìn)時需穿層施工，受斷層影響，煤層穩(wěn)定性差，在穿層過程中很容易出現(xiàn)頂板垮落事故。同時，巷道掘進(jìn)40 m 后需再次調(diào)整巷道掘進(jìn)角度進(jìn)行下山掘進(jìn)，造成巷道坡度大，不利于后期工作面回采。

方案三：分層爆破施工。分層爆破施工先對斷層下斷面堅硬巖體進(jìn)行全斷面爆破，對上斷面巖體采用松動爆破，然后再采用掘進(jìn)機出矸。該方法可降低巖體強度及掘進(jìn)機破巖難度，降低了設(shè)備故障率，而且掘進(jìn)速度快；但是在施工過程中受爆破震動影響，圍巖穩(wěn)定性差，需對斷層區(qū)圍巖采取合理有效的支護(hù)技術(shù)。

通過三種施工方案對比分析，決定53041 巷過F2 斷層期間采用分層爆破施工工藝[1-5]。

2.2 施工工藝

（1）斷層底部巖體為粗砂巖，巖體硬度高，決定對該部分巖體采用全斷面光面爆破施工工藝。共計布置36 個爆破孔，其中掏槽孔4 個，深度為1.6 m；輔助孔8 個，深度為1.4 m；周邊孔24 個，深度為1.4 m。掏槽孔單孔裝藥量為1.2 kg，周邊孔及輔助孔單孔裝藥量為0.9 kg。其中掏槽孔、輔助孔、周邊孔依次填裝一支1#、3#、5#毫秒延期電雷管，延期時間為130 ms。

（2）下斷面光面爆破后對上斷面施工松動爆破孔，共計8 個孔，孔間距為0.5 m，孔深為1.0 m。鉆孔施工完后每個鉆孔內(nèi)填裝一支礦用乳化炸藥以及一支毫秒延期電雷管，每次爆破鉆孔數(shù)量為4 個。

（3）采用的乳化炸藥為礦用三級抗水性炸藥，每支藥卷裝藥量為300 g，采用正向裝藥，雷管腳線采用串聯(lián)連接方式。光面爆破孔采用水炮泥封孔，長度不得低于0.8 m，松動爆破孔封孔長度不得低于0.5 m。

3 斷層區(qū)頂板支護(hù)技術(shù)

由于斷層區(qū)圍巖受構(gòu)造應(yīng)力以及爆破震動影響，巷道頂板穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)破碎、垮落現(xiàn)象，所以對原頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采取“超前管棚注漿+自鎖式讓壓錨桿+桁架錨索”聯(lián)合支護(hù)。

3.1 超前管棚注漿支護(hù)

由于53041 巷斷層區(qū)上部為3#煤層，煤層平均厚度為0.9 m，受采動影響煤層易垮落，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，決定在爆破施工前對頂板施工一排超前管棚注漿支護(hù)。

（1）首先對頂板施工一排支護(hù)孔，孔間距為0.4 m，共計布置9 個支護(hù)孔，孔深度為3.5 m，直徑為35 mm，鉆孔垂直迎頭煤壁布置。

（2）支護(hù)孔施工完后對中部孔及兩側(cè)幫孔分別安裝一根長度3.5 m、直徑30 mm注漿管棚支護(hù)體。支護(hù)體中部為中空狀，中部孔直徑15 mm，端部為銷尖狀。在管體四周均勻布置一排注漿射孔，孔間距為0.5 m，直徑為10 mm。支護(hù)體采用錨固劑進(jìn)行錨固。其他鉆孔內(nèi)安裝一根直徑為30 mm、長度為3.5 m 的圓鋼。

（3）超前支護(hù)體安裝后，對中部及兩側(cè)超前管棚支護(hù)體內(nèi)依次安裝一根直徑為12 mm 注漿軟管，并在孔口處采用長度為0.5 m 橡膠止?jié){塞進(jìn)行封堵，然后進(jìn)行注漿施工。注漿液采用馬麗散與催化劑混合的有機化學(xué)材料。

3.2 自鎖式讓壓錨桿

由于原頂板采用的是螺紋鋼錨桿，采用端頭錨固方式，該錨桿剛性強、讓壓效果差，在斷層區(qū)圍巖內(nèi)錨固質(zhì)量差，達(dá)不到預(yù)期錨桿懸吊支護(hù)作用，所以決定在原螺紋鋼錨桿支護(hù)基礎(chǔ)上，交錯施工自鎖式讓壓錨桿。

（1）自鎖式讓壓錨桿結(jié)構(gòu)。自鎖式讓壓錨桿主要由桿體、自鎖機構(gòu)、讓壓機構(gòu)等部分組成。其中桿體長度為2.8 m，直徑為22 mm，桿體最大承載強度為455 MPa；自鎖機構(gòu)主要由自鎖片、連接套、彈簧、螺紋套管以及推桿等部分組成，如圖1 所示。讓壓機構(gòu)主要由讓壓彈簧、錨桿托盤、墊片、鎖緊螺母等部分組成。

圖1 53041 巷斷層區(qū)頂板支護(hù)示意圖（mm）

（2）支護(hù)方式。① 原頂板中每排布置5 根長度為2.5 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，優(yōu)化后將第一排1#、3#、5#螺紋鋼錨桿替換為自鎖式讓壓錨桿，將第二排2#、4#螺紋鋼錨桿替換為自鎖式讓壓錨桿，以此類推，自鎖式錨桿呈“三.二.三”布置方式；② 自鎖式安裝時先對桿體進(jìn)行錨固，桿體錨固后依次安裝自鎖機構(gòu)、讓壓機構(gòu)，最后對錨桿進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200 N·m。

3.3 桁架錨索支護(hù)

受構(gòu)造應(yīng)力影響斷層區(qū)頂板在應(yīng)力持續(xù)作用下出現(xiàn)下沉、斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致錨桿（索）支護(hù)“疲勞”、桿體變形等，所以決定對斷層區(qū)頂板施工桁架錨索削弱頂板垂直應(yīng)力。

（1）桁架錨索支護(hù)原理。對頂板施工對稱斜角錨索，斜角大小根據(jù)頂板應(yīng)力大小進(jìn)行確定。對斜角錨索安裝張拉器預(yù)緊，在預(yù)緊過程中兩根斜角錨索對頂板巖體產(chǎn)生一個垂直向上的合力，從而削弱頂板垂直應(yīng)力破壞作用。

（2）桁架錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)。每組桁架錨索主要由兩根長度為6.3 m、直徑為21.8 m 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，兩根圓鋼拉桿以及張拉器等部分組成。每根圓鋼拉桿長度為1.2 m，直徑為20 mm，張拉器最大張緊力為380 kN。

（3）支護(hù)設(shè)計。① 巷道掘進(jìn)至1420 m 處開始施工桁架錨索，首先在相鄰兩排鋼帶之間，桁架錨索支護(hù)與鋼帶支護(hù)平行布置，布置排距為2.0 m；② 兩根錨索布置間距為2.0 m，錨索布置斜角為75°；③ 桁架錨索安裝后依次在其外露端安裝圓鋼拉桿、張拉器并進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為270 kN。

4 結(jié)語

（1）對53041 巷過F2 段采取分層爆破施工工藝后，降低了斷層區(qū)巖體抗壓強度及掘進(jìn)機破巖難度，巷道過斷層掘進(jìn)速度由原來的2.2 m/d 提高至4.3 m/d，掘進(jìn)機破巖故障率由原來的14%降低為4%。

（2）通過對斷層區(qū)采取聯(lián)合支護(hù)后，彌補原頂板錨桿（索）支護(hù)時支護(hù)質(zhì)量差、支護(hù)失效率高等不足，有效控制了F2 斷層區(qū)域頂板下沉、變形現(xiàn)象。實測采區(qū)聯(lián)合支護(hù)后斷層區(qū)頂板雖然出現(xiàn)蠕動變形，但是變形下沉量為0.17 m，相比支護(hù)前頂板下沉量減小了65%，控制在允許變化范圍內(nèi)。